制备超疏水表面常用的方法

超疏水表面的润湿性及其应用研究

超疏水表面的润湿性及其应用研究*

潘光,黄桥高,胡海豹,刘占一

(西北工业大学航海学院,西安710072)

摘要润湿性是衡量超疏水表面疏水强弱的最重要特征之一,主要由表面化学组成和表面微观结构共同决

定。简述了超疏水表面的润湿性理论,综述了超疏水表面的最新研究进展,包括制备方法、应用研究及理论分析,详

细介绍了其在自清洁和减阻方面的应用,最后提出了现阶段超疏水表面研究所面临的问题,并展望了其诸多领域的发展前景。

关键词超疏水表面润湿性表面微观结构接触角自清洁减阻中图分类号:O647 文献标识码:A

StudyonWettabilityofSuperhydrophobicSurfaceandItsApplication

PANGuang,HUANGQiaogao,HUHaibao,LIUZhanyi

(CollegeofMarine,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi.an710072)

Abstract Wettabilityisoneofthemostimportantpropertieswhichweighhydrophobiccapabilityofsuperhy2

drophobicsurfaceanditdependsonboththechemicalcompositionwithlowsurfaceenergyandthesurfacemicrocos2micstructure.Inthispaperthewettabilitytheory,WenzelmodelandCassiemodelarebrieflyreviewed.Thelatestre2

searchprogressesofsuperhydrophobicsurfacearesummarized,includingmanufacturing,applicationandtheoretics.

对超疏水材料制备方法的探究

吴若楠 201400111021

摘要：近年来,超疏水材料的制备与应用受到了人们的广泛关注。在一些应用领域中,超疏

水材料展示了其特有的优势,对工农业生产、国防建设以及人们的日常生活产生了巨大的影

响[1]。在本文中,将着重介绍超疏水材料的种类及其制备方法，并且结合碳纳米管及石墨烯

超疏水材料展开一些前沿的探究，这些探究，将对超疏水材料在纳米材料方面的拓展有着

重要的意义。

关键词：超疏水;材料;纳米材料

1.引言

查阅相关文献，我发现近年来对于超疏水材料的研究主要分为以下两个方面：第一，是

对仿生超疏水结构的研究。通过对生物体(多为荷叶或昆虫绒毛)超疏水功能器官表面微小结

构的研究，用实验方法模仿类似结构制备超疏水材料。第二，直接在一定的基底上构筑微纳

米结构，从而实现超疏水性能。而在我看来，由于要用到超疏水材料的地方其实十分的多，

在多种多样的材料上构建超疏水结构的方法更为实用。所以我认为，应当致力于研究在材料

表面构建超疏水膜的研究，对超疏水膜进行改性，形成功能化的超疏水结构，从而能与基底

材料更好地结合。

2.超疏水的机理

超疏水的机理和物理化学中的表面润湿性有关。表面润湿性是指液体在固体材料表面的

铺展能力，早在古代，人们就已经认识到了材料的表面润湿性，所以才有了“出淤泥而不染，

濯清涟而不妖”这样的美好诗句。荷叶的表面就是一层天然的超疏水纳米结构，它独特的自

清洁效应引起了广泛的关注。通常用液体在固体材料表面的接触角来表征材料的表面润湿性，

接触角小于90°认为材料亲水，相反，大于90°则认为其疏水[2]。如果水滴在材料表面接

触角小于5°，则认为其超亲水，当水滴在材料表面的接触角大于150°，则认为其超疏水。

固体的表面自由能越大，越易被一些液体所润湿。对于液体来说，一般液体(除水银外)

的表面张力都在100 mN/m以下。以此数值为界可以把固体分为两类:一类是高能表面，它们

具有较高的表面能，大约在几百至几千毫焦/m2之间，易被液体润湿；另一类为低能表面，

超疏水材料的分子设计与制备

在当今的材料科学领域，超疏水材料因其独特的性能而备受关注。超疏水材料表面具有极强的防水性，水滴在其表面能够轻易滚落，而不会浸润或附着。这种特性使得超疏水材料在众多领域都有着广泛的应用前景，如自清洁表面、防腐蚀涂层、油水分离等。那么，如何从分子层面设计并制备出这样神奇的材料呢？

要理解超疏水材料的分子设计，首先得清楚超疏水现象的本质。超疏水现象的产生主要取决于两个关键因素：材料表面的微观粗糙度和低表面能。微观粗糙度能够增加材料表面与水滴的实际接触面积，而低表面能则使得水滴难以在表面附着和铺展。

从分子设计的角度来看，选择合适的分子结构是至关重要的。通常，含氟或含硅的化合物被广泛用于构建低表面能的分子层。氟原子具有很强的电负性，能够有效地降低分子的表面能。含氟聚合物，如聚四氟乙烯（PTFE），就是常见的低表面能材料。硅氧键的键能较高，也能赋予材料较低的表面能。例如，有机硅化合物在超疏水材料的设计中就经常被采用。

在设计分子结构时，还需要考虑分子链的长度和柔韧性。较长的分子链能够更好地覆盖材料表面，形成连续的低表面能层。而适当的柔韧性则有助于分子在表面的排列和取向，进一步优化表面性能。有了合适的分子设计，接下来就是制备超疏水材料的过程。目前，常见的制备方法主要包括物理方法和化学方法。

物理方法中，比较常见的是模板法。通过使用具有特定微观结构的模板，如纳米级的柱状、球状结构模板，可以将材料复制成具有相应粗糙度的表面。例如，利用阳极氧化铝模板，可以制备出高度有序的纳米孔结构，从而赋予材料超疏水性。

化学方法则多种多样。其中，化学气相沉积（CVD）是一种有效的手段。通过将含氟或含硅的前体物质在气相中进行反应，使其在基底表面沉积形成低表面能的涂层。例如，利用三甲基氯硅烷（TMCS）进行 CVD 处理，可以在玻璃表面制备出超疏水涂层。

另一种常用的化学方法是溶胶凝胶法。将含有硅氧键的前驱体在溶液中进行水解和缩合反应，形成溶胶，然后经过凝胶化和干燥处理，得到具有一定粗糙度和低表面能的涂层。

仿生超疏水功能表面的制备及其性能研究共3篇

仿生超疏水功能表面的制备及其性能研究1

仿生超疏水功能表面的制备及其性能研究

随着现代科技的不断进步，仿生学作为一种新兴的研究方向，受到了越来越多的关注。仿生学是通过对生物体的形态、功能、行为等特征进行研究，来设计新材料、新装置或新系统的一门学科。仿生学不仅能够解决科学技术方面的问题，还能为环境保护、工业生产等多个领域提供技术支持。其中，仿生超疏水功能表面的制备及其性能研究是当前研究的热点之一。

超疏水材料具有抗粘附、自清洁和抗腐蚀等优异的性能，对于液体的微纳级传输和分离具有重要应用价值。如何设计制备具有超疏水性能的表面材料，一直是材料科学领域的难题。仿生学为这个难题的解决提供了思路。仿生超疏水功能表面是通过生物表面的微观结构和化学组成，来制备超疏水材料的表面。例如，以荷叶表面为模板，制备出仿生超疏水表面就是目前的研究热点。

制备仿生超疏水功能表面主要分为两步，即基础表面处理与微观结构化制备。其中，基础表面处理主要是对基础表面材料进行改性，以便于制备出具有微观结构的超疏水表面。微观结构化制备则是通过对表面的化学和物理过程进行控制，来制备出具有各种不同形貌和大小的微观结构，从而实现超疏水的性能。

制备出仿生超疏水功能表面后，需要对其性能进行表征和应用研究。其中，表征方法主要包括接触角测试、接触角滞后测试、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等。应用研究方面，仿生超疏水功能表面已经应用于防水、防腐、油水分离、普通自清洁等多个领域。

虽然仿生超疏水功能表面的研究有了重要进展，但在复杂环境中应用时仍面临着挑战和不足。例如，在高湿度环境下，仿生超疏水表面易出现气体泡沫覆盖导致超疏水性能下降。此外，仿生超疏水表面的制备成本较高，难以大规模应用。因此，未来的研究需要解决这些问题，以便更好地推广和应用仿生超疏水功能表面。

综上所述，仿生超疏水表面是一种新型的材料表面，具有重要应用价值。我们需要深入挖掘仿生学原理，尝试研究更多生物表面的结构与功能，进一步成熟优化仿生超疏水功能表面的制备方法和表征技术，以便满足更多领域的需求，推动其在实际应用中的普及和推广

超疏水涂层制备工艺的接触角与耐腐蚀性研究

超疏水涂层是一种表面涂层技术，通过改变材料表面的化学结构和形貌，使其具有极低的液体粘附能力，从而形成类似莲叶叶面的疏水效果。该涂层具有很多优点，如优异的自清洁性能、抗腐蚀性能和耐磨性能等，因此在各个领域广泛应用。

超疏水涂层的制备工艺通常包括两个步骤：表面改性和涂层形成。

首先是表面改性。通过一系列的物理和化学方法，改变材料表面的化学结构和形貌，使其形成一层纳米级的微观结构。常见的表面改性方法包括湿化技术、电化学氧化、沉积聚合物薄膜等。这些方法可以根据不同的材料和需求进行选择和组合。

接下来是涂层形成。通过溶液浸涂、电沉积、离子束沉积或气相沉积等方法，将改性后的材料表面形成一层超疏水涂层。在涂层形成过程中，控制涂层的厚度和结构是非常重要的，通常需要通过调整溶液浓度、沉积速度和处理温度等参数来实现。

在超疏水涂层的研究中，接触角是一个重要的性能参数。接触角是指液体与固体表面形成的接触面所形成的角度。在超疏水涂层上，液滴在表面上形成的接触角较大，接近于180°，表明液滴几乎完全不与表面接触，具有很好的疏水性能。接触角的大小与表面的化学结构和形貌密切相关，可以通过改变表面结构和化学组成来调控接触角。

除了接触角，超疏水涂层的耐腐蚀性也是一个重要的研究方向。由于超疏水涂层通常用于防护金属材料，因此其抗腐蚀性能是一个关键指标。通过改善涂层的结构和添加抗腐蚀剂等措施，可以提高超疏水涂层的耐腐蚀性能。同时，超疏水涂层还可以作为防腐蚀涂层的一种补充，增加涂层的抗腐蚀能力。

总结起来，超疏水涂层制备工艺的研究主要包括表面改性和涂层形成两个步骤。通过改变材料表面的化学结构和形貌，形成具有纳米级微观结构的疏水表面。接触角和耐腐蚀性是超疏水涂层研究中的重要性能参数，可以通过调控表面结构和化学组成来实现良好的接触角和抗腐蚀性能。超疏水涂层在防护材料和增加表面性能方面具有广阔的应用前景。超疏水涂层的制备工艺的研究不仅包括表面改性和涂层形成两个步骤，还需要对接触角和耐腐蚀性进行深入研究，以进一步提升超疏水涂层的性能。

化学刻蚀法制备铝合金基超疏水表面

第１０卷第２７期２０１０年９月　１６７１—１８１５（２０１０）２７・６７１９—０３　科学技术与工程　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｆｉｎｇ　Ｖｏ１．１０　Ｎｏ．２７　Ｓｅｐ．２０１０　＠２０１０　Ｓｅｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｆｆ　化学　化学刻蚀法制备铝合金基超疏水表面　陈云富　尹冠军　（南京农业大学工学院，南京２１００３１）　摘要采用简单化学刻蚀法对铝合金基体进行腐蚀，得到了粗糙表面。然后对铝合金粗糙表面进行氟化处理，得到了具有　超疏水的表面。研究了不同刻蚀时间以及不同刻蚀液浓度对表面疏水效果的影响。结果发现：在实验的参数条件下，不同刻　蚀时间下，接触角随着氢氟酸刻蚀时间的增加，先增加后减少，当氢氟酸刻蚀时间为７　ｒａｉｎ时，所得试件水的接触角最大。不　同刻蚀液浓度下，接触角随着盐酸浓度的增加，先增加后减少。当盐酸浓度为４　ｍｏｌ／Ｌ时，所得试件水的接触角最大。　关键词超疏水　接触角　刻蚀　中图法分类号０６４７　ＴＢ３０２；　文献标志码Ｂ　超疏水是指固体表面上水的表观接触角超过　１５０。的一种特殊表面现象，具有极好的疏水、排水及　自洁功能，可望在微流管道高效输运、卫星天线防　尘、电缆防冰、潜艇表面降阻及日常生活等方面有　广泛的应用前景¨　Ｊ，人们对超疏水的认识主要来　自对植物表面的分析，Ｂａｒｔｈｌｏｔｔ和Ｎｅｉｎｈｕｉｓ＿４’５　通过　对植物叶表面的微观结构观察，认为自清洁特性是　由表面上微米结构的乳突以及表面存在的蜡状物　共同引起的。Ｆｅｎｇ等人【６　对荷叶表面微米结构进　行观察，发现荷叶表面存在微米结构与纳米结构相　结合的阶层分形结构并认为这种结构是引起表面　超疏水的根本原因。通过对植物叶表面的分析，很　多研究者展开了超疏水表面的研制　－９１，这些方法　从两个方面人手，一是在基体上构建粗糙结构，二　是在粗糙表面上修饰低表面能物质。本文采用化　学刻蚀法在合金铝基体上产生粗糙结构，然后在其　表面上修饰十三氟代辛烷基三乙氧基硅烷的方法　制备超疏水表面，这种方法操作过程简单，不需要　大型的设备，成本低廉。　２０１０年６月７日收到　１实验部分　１．１材料与试剂　铝合金，浓盐酸（分析纯），国产；去离子水，蒸　馏水；无水乙醇（分析纯）、丙酮（分析纯）、氢氟酸　（分析纯），国产；十三氟辛基三乙氧基硅烷（Ｆ洲）：　德国Ｄｅｇｕｓｓａ公司。　１．２超疏水表面的制备　将铝合金分割成１０　ｍｍ　ｘ　１０　ｍｍ×１．６　ｍｍ同　一大小的块状，先用丙酮清洗，再用去离子水超声　波振荡清洗。侵人到浓度为３　ｍｏｌ／Ｌ的氢氟酸中刻　蚀时间１５　ｍｉｎ，完成后将铝块放人浓度为４　ｍｏｌ／Ｌ　的盐酸溶液中，在室温下刻蚀时间６　ｍｉｎ，刻蚀完成　后，用去离子水冲洗基体表面，然后用超声波振荡　清洗１０　ｍｉｎ，最后将处理好的铝块基体在６０￣Ｃ下烘　烤、烘烤时间为１５　ｍｉｎ。　１．３表面氟硅烷修饰．　．　在室温下量取一定体积的乙醇，在其中加入适　量的氟硅烷，配置成１．Ｏ％（ｗｔ）氟硅烷的乙醇溶液，　放人搅拌器中搅拌，将清洗过后的基片放人配置好　的氟硅烷溶液中，浸泡３０　ｍｉｎ，然后放人烘箱中，在　６０℃下烘干１５　ｍｉｎｏ　－－　，

超疏水涂层国家指标

超疏水涂层的国家指标并没有统一的标准，因为这一技术涉及的领域广泛，应用情况也较为复杂。一般来说，超疏水涂层是指具有特殊表面性质的涂料，其与静态水的接触角大于150°。这种涂层具有防水、防雾、自清洁等诸多功能，在生产生活中有广泛的应用前景。

制备超疏水涂层的方法有很多，比较常用的包括模板法、刻蚀法、喷涂法、沉积法和溶胶凝胶法等。同时，在超疏水涂层中添加一定量的气相二氧化硅可以使涂层变得透明，这是因为气相二氧化硅的聚集体粒径远小于可见光的波长，可以降低涂层的表面粗糙度，提高透明性和耐磨性。

然而，关于耐久性和制造技术复杂的担忧限制了超疏水涂层的广泛应用。因此，目前超疏水涂层的应用主要取决于具体的使用环境和要求，对于不同的用途可能需要不同的涂层材料和制备方法。

总的来说，超疏水涂层是一种具有较高实用价值的基础技术，其制备和应用仍在不断发展和完善中。

超疏水表面制备的研究进展

２００８年第１０期　第３５卷总第１８６期　广东化工　ｗｗｗ．ｇｄｃｈｅｍ．ｃｏｍ　

超疏水表面制备的研究进展　

周勤，王友亮　

（海军广州装备技术质量监测站，广东广州５　１　０７２０）　

［摘要】近年来，在研究领域接触角大于１５０。的超疏水表面有着巨大的吸引力。超疏水表面一般通过构造一定表　

面粗糙度和用低表面自由能物质修饰表明而成。文章简单的介绍了疏水表面的基础理论和最新研究进展。虽然超疏水　

表面在实际应用中还有一定的限制，但这些困难都将慢慢被克服，最后超疏水表面将应用在各种不同的工业领域。　

【关键词】超疏水表面；原理；接触角；润湿性　

【中图分类号】ＴＱ４２３．４＋１　［文献标识码】Ａ　［文章编号］１００７—１８６５（２００８）１０—００６５—０３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｎ　ＳｕｐｅｒｈｙｄｒＯｐｈＯｂｉｃ　Ｓｕｒｆａｃｅ　

Ｚｈｏｕ　Ｑｉｎ，Ｗａｎｇ　Ｙｏｕｌｉａｎｇ　

（Ｎａｖｙ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　Ｓｔａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１　０７２０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｃｅｎｔｌｙ，ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｗｈｏｓｅ　ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｔａｃｔ　ａｎｇｌｅ　ｉｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ｔｈａｎ　１　５０　ｄｅｇｒｅｅｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｕｂｊｅｃｔ　ｏｆ　ｇｒｅａｔ　ｉｎｔｅｒｅｓｔ　ａｎｄ　

ｅｎｔｈｕｓｉａｓｔｉｃ　ｓｔｕｄｙ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ．Ｔｈｅｓｅ　ｓｕｒｆａｃｅｓ，ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｃａｌｌｅｄ　ｓｕｐｅｒ—ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ，ａｒｅ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｂｙ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　

ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｗｉｔｈ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｎｅｒｇｙ．Ｈｅｒｅ　ｔｈｅ　ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｅｔｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ａ　ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ　ｒｏｕｇｈ　ｓｏｌｉｄ　ｓｕｒｆａｃｅ，　

超疏水的制备原理

超疏水的制备原理基于两个主要因素：物理结构和表面化学性质。

1. 物理结构：超疏水材料通常具有特殊的微纳米结构。这种结构可以通过自组装、模板法、溶剂挥发法等多种方法制备。这些结构通常包括微米级的微柱、微球、微刺等特殊形状，或者由纳米级的纳米棱柱、纳米球、纳米刺等构成。这些微纳米结构可以使得液体在表面上形成高度凹凸不平的几何特征，从而降低液体与固体表面之间的接触面积，减少液体在表面上滞留的可能性，进而实现超疏水的性质。

2. 表面化学性质：超疏水材料的表面通常具有低表面能和高界面能的特点。表面低表面能是指材料表面对液体表面具有弱吸附性，即液体的表面张力会使液滴往上升的方向“滚落”下去。而高界面能是指材料表面对液体表面有较强的反应性，即液滴在接触到超疏水材料表面时发生变形、渗透或反应的能力有限。这种表面化学性质常常可以通过表面改性来实现，如使用特定的化学处理方法或将特定的化合物涂覆在材料表面上。

综上所述，超疏水的制备原理在于通过物理结构和表面化学性质的设计和调控，使得材料表面具有特殊的微纳米结构和适当的表面化学性质，从而实现材料对液体的高度抗湿润和自洁性质。

超疏水材料

超疏水材料是一种具有极高防水性能的材料，能够在接触水的情况下将其迅速排斥并形成水滴滚落的现象，具有很广泛的应用前景。本文将从超疏水材料的作用、制备方法、应用领域等方面进行介绍。

超疏水材料的作用是基于其特殊的表面结构和化学成分，表面的微小结构使其具有极低的表面能，从而可以将水迅速排斥并滚落，同时又具有耐久性和稳定性。超疏水材料还具有自清洁、抗污染、耐侵蚀等特点，使其广泛应用于防水、防腐、防污染等领域。

超疏水材料的制备方法有多种，其中包括表面改性、纳米结构、涂层等技术。表面改性是通过改变材料表面的化学性质，使其具有疏水性。纳米结构是通过制备微小的纳米结构，使材料表面形成多孔结构，进而实现超疏水性能。涂层则是将疏水材料涂覆在基材上，形成一层保护层，使其具有超疏水性。

超疏水材料的应用领域非常广泛，其中最常见的就是防水领域。超疏水材料可以应用于建筑物的外墙、屋顶、地板等，能够有效防止水的渗透，保护建筑内部结构。此外，超疏水材料还可以应用于船舶、飞机等交通工具的外表面，防止水的侵蚀和污染，提高使用寿命。此外，超疏水材料还可以应用于高温场合、化学工业、生物医学等领域，用于增加材料的耐高温性能、耐腐蚀性能和抗菌性能。

超疏水材料的研究和应用还处于初级阶段，仍有许多挑战需要克服。其中包括材料的稳定性、耐久性和加工性等方面。当前，研究者正在不断探索新的制备方法和材料，以提高超疏水材料的性能和应用范围。

总之，超疏水材料是一种具有极高防水性能的材料，具有自清洁、抗污染、耐侵蚀等特点，并具有广泛的应用前景。随着制备技术的进一步发展和突破，相信超疏水材料将在更多的领域得到应用，并为人们的生活和工作带来更大的便利和舒适。